CN101166080B - 高数据速率正交频分复用无线局域网的实现方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种高数据速率正交频分复用(OFDM)无线局域网的实现方法与系统，属于无线通信技术的领域。在该实现方法和系统中，发射站点对OFDM的各子信道采用不同的信号调制方式进行数据传输；在一定的纠错码方式下，各子信道采用的调制方式由接收站点依据各OFDM子信道的信噪比或信道增益来确定；各子信道所要采用的调制方式的信息(子信道-调制方式信息)通过以下两种方式之一实现由接收站点向发射站点的传送：(1)发射站点与接收站点间的请求-应答方式，(2)接收站点在无请求情况下向发射站点的主动传送。

Description

高数据速率正交频分复用无线局域网的实现方法与系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及正交频分复用(OFDM)无线局域网系统。

背景技术

随着社会生活越来越广泛的对于信息的需求，网络已经越来越成为人们日常生活不可缺少的一部分。无线局域网因其接入灵活、不需要布线等优点，具有广阔的发展前景。

IEEE802.11工作组针对无线局域网的应用需求提出了其无线局域网的解决方案，这就是802.11无线局域网标准。到目前为止，802.11无线局域网物理层的标准主要有四个，即802.11，802.11b，802.11g和802.11a，媒体接入(MAC)层的标准主要有802.11和802.11e。在物理层标准方面，802.11定义了跳频扩频、直接序列扩频和红外三种工作方式；802.11b对802.11的直接序列扩频工作方式进行扩展，使其物理层最高数据速率达到11Mbps(前者只能达到2Mbps)；802.11g则对802.11b作进一步的扩展，在兼容802.11b的基础上，加入了OFDM工作方式，物理层最高数据速率可达54Mbps，802.11g和802.11b均工作在2.4G频段；802.11a标准工作在5G频段，采用OFDM工作方式，物理层最高数据速率为54Mbps；802.11g的OFDM工作方式与802.11a采用了完全相同的实现方式，差别只在于工作频段不同。在MAC层标准方面，802.11定义了802.11网络中工作站点占用信道的方式，即通过随机竞争占用信道(DCF)和AP通过中央控制占用信道(PCF)两种方式，802.11e主要是针对802.11网络的用户质量问题而提出的解决方案，提出了HCF工作方式来实现局域网通信中的用户质量。

应该看到，802.11系统现行的设计方案是针对中、低数据速率设计的，并不适合于高速率的数据传输，无法满足实时传输视频(如高清晰度电视)等的要求。虽然802.11-OFDM(包含802.11a和802.11g的OFDM工作方式)系统在理论上可达到高至54Mbps的物理层数据速率，但该数据速率的实现需要良好的信道条件。802.11-OFDM系统在室内环境工作时，当发射站点与接收站点间不存在直达路径时，其信道就会存在严重的频率选择性，从而会大大限制其物理层的性能和数据速率。

在频率选择性信道中，OFDM系统的各子载波信道具有不同的信道增益。若对其各子信道采用相同的调制方式，就会出现这样的问题：在那些信道增益高的子信道，过高的增益会被浪费掉；而在信道增益低的子信道、特别是在发生深衰落因而信道增益很低的子信道，则会给发送序列带来严重的误码。频率选择性信道中的深衰落使得802.11-OFDM系统不适合于采用高阶调制、高码率方式来传输数据，因而其物理层在实际应用中很难达到高至54Mbps的数据速率。

本发明对存在频率选择性衰落的无线信道提出了一种高数据速率OFDM无线局域网的实现方法和系统。在该实现方法和系统中，发射站点(指从网络层来看发送数据的站点，下同)在发送数据时对不同的OFDM子载波信道采用不同的调制方式；发射站点所需要的各子信道所要采用的调制方式的信息(子信道-调制方式信息)通过发射站点与对应的接收站点(指从网络层来看接收数据的站点，下同)在MAC层的请求-应答机制而实现，或者通过接收站点在MAC层直接向发射站点发送该信息而实现；接收站点则根据OFDM各子信道的信道增益或信噪比来确定在这些子信道上所要采用的信号调制方式。

在本发明设计的系统中，接收站点依据在一定的信道纠错码条件下各子信道所要达到的误码率来确定其调制方式，这样，可以使无线局域网系统在两个方面获得好处：(1)由于在指定的纠错码条件下OFDM各个子信道均能达到指定的误码率，从而可以使系统达到指定的误帧率、有效地控制丢帧，实现数据在物理层的有效传输；(2)对于信道增益较大的子信道，通过让其采用较高阶的信号调制方式，可以在不损失误码性能的情况下使OFDM符号传输更多比特的数据，提高物理层的数据速率。

通过采用本发明的实现方法和系统，OFDM无线局域网一方面可以有效地克服其信道存在的频率选择性衰落，另一方面可以充分利用其各子信道的信道增益，从而可以使其物理层获得可观的数据速率的提高。

发明内容

提出了一种高数据速率OFDM无线局域网的实现方法与系统。在该实现方法和系统中，发射站点在发送数据时对不同的OFDM子载波信道采用不同的调制方式；发射站点所需的子信道-调制方式信息通过发射站点与接收站点之间的请求-应答机制而实现，或者通过接收站点直接向发射站点发送该信息而实现；对应的接收站点则在所要采用的纠错码方式下根据OFDM各子信道的信道增益或信噪比来确定它们所要采用的信号调制方式。由于该种实现方法一方面使发射站点有效地克服了室内无线信道的频率选择性衰落，另一方面也使其能更为充分地利用当前信道来传输数据，因而可以使OFDM无线局域网的物理层获得可观的数据速率的提高。

子信道-调制方式工作方式的系统结构及实现过程如图1所示。首先由发射站点向接收站点发送包含子信道-调制方式请求标示的数据帧，或者只发送帧结构中不包含子信道-调制方式请求标示的普通数据帧；接收站点在收到上述数据帧后通过计算得到其OFDM各子信道的信道增益，进而在一定的纠错码方式下确定OFDM符号在其各子信道所要采用的调制方式，然后通过标示包含子信道-调制方式信息的数据帧将该信息发送给发射站点；发射站点在获得子信道-调制方式信息后，按该工作方式向接收站点发送数据，直到子信道-调制方式信息的下一次计算和调整。

发射站点在获得子信道-调制方式信息后，即可计算出其各个OFDM子载波上所要发送的数据比特数和一个OFDM符号所要发送的总的数据比特数。发射站点对所要发送的信息序列(如一个MAC帧)在按照指定的编码方式编码之后，再按上述OFDM符号的发送数据比特数进行分割、分配给各OFDM符号，接着进一步地将这些数据比特分配到OFDM符号的各个子载波信道上。发射站点在各子载波信道上将数据比特映射为复数值的符号，完成信号调制，然后对调制后的符号作快速傅立叶变换(FFT)即得到时域的OFDM符号。最后将OFDM符号放入物理帧发往接收站点。接收站点在接收到该发射站点的物理帧后，按约定的子信道-调制方式对OFDM各子信道的信号进行解调，得到相应的数据比特的硬判决值或其软信息，然后通过解码求得传输的信息序列。

发射站点通过两种方式获得子信道-调制方式信息。一种方式是请求-应答方式，另一种方式是接收站点的主动传送方式。请求-应答方式的实现过程如图2所示，在该种工作方式下，发射站点首先向接收站点发送一个包含子信道-调制方式请求标示的物理帧，接收站点在收到这一物理帧后计算其OFDM各子信道的调制方式，得到子信道-调制方式信息，然后在应答帧中发送给发射站点。主动传送方式的实现过程如图3所示，在该种工作方式下，接收站点在未收到发射站点的子信道-调制方式请求、但收到发射站点的其它物理帧时，仍可进行子信道-调制方式计算，并将该信息传送给发射站点、请求发射站点以该种工作方式工作。

子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送可通过设计特定的子信道-调制方式请求(RSM，Request for Subchannel-Modulation)帧和子信道-调制方式信息(ISM，Information for Subchannel-Modulation)帧来实现。在请求-应答工作方式下，发射站点通过向接收站点发送RSM帧来请求子信道-调制方式信息，而接收站点则用ISM帧进行应答，传送子信道-调制方式信息。在主动传送工作方式下，接收站点则可通过直接向发射站点发送ISM帧来实现这一信息的传送。

无线局域网系统在数据传输过程中，由于信道分配等的需要，在其MAC层可能会存在一种信息交互机制。在采用随机竞用方式和轮询方式分配信道的802.11网络中，即存在着这样一种MAC层的信息交互机制。如：在802.11网络的DCF工作方式下，发射站点在发送完DATA帧后，接收站点要作ACK应答，发射站点用RTS帧作出发送请求后，接收站点要用CTS帧作出应答，等等。802.11协议规定的MAC层信息交互方式如表1所示。

当将本发明提出的方法和系统用于MAC层存在信息交互机制的无线局域网时，其子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送即可以利用无线局域网系统在MAC层的信息交互来实现。如：当将其用于802.11网络时，可以对现行802.11标准或802.11e标准中

    表1802.11协议规定的MAC层信息交互方式

DCF方式
	{RTS-CTS-}[Frag-ACK-]Last-ACK  PS-Poll-ACK  PS-Poll-[Frag-ACK-]Last-ACK
PCF方式
	Data+CF-Poll{+CF-Ack}-Data+CF-Ack-{CF-Ack(no data)}  Data+CF-Poll{+CF-Ack}-CF-Ack(no data)  CF-Poll(no data){+CF-Ack}-Data-{CF-Ack(no data)}  CF-Poll(no data){+CF-Ack}-Data-ACK  CF-Poll(no data){+CF-Ack}-Null(no data)  Data(dir){+CF-Ack}-ACK

注：{...}表示其发送0次或1次；

[...]表示其发送0次或多次；

[Frag-ACK-]表示当对DATA帧或Management帧采用分片方式传输时所传输的分片。

Last表示对DATA帧或Management帧未采用分片方式传输时的该数据帧，或采用分片方式传输时的最后一个分片。进行信息交互的MAC帧的Frame Control域中的Subtype子域作新的定义而使其成为携带RSM信息和ISM信息的数据帧，对于携带ISM信息的MAC帧，还要对其定义相应的存放子信道-调制方式信息的数据域。

无论是在请求-应答方式中，还是在主动传送方式中，接收站点都是在所接收到的物理帧的基础之上计算其各OFDM子信道的信号调制方式的。接收站点与发射站点间在未约定新的子信道-调制方式工作方式之前，按照原来的工作方式来传输信息，这可以是各子信道均采用相同的信号调制方式的常规工作方式，也可以是在某一个以前的时刻确定的一种子信道-调制方式工作方式。当接收站点在原子信道-调制方式工作方式下来计算新的子信道-调制方式信息时，要求原工作方式在每个OFDM子信道上均是进行数据发送的。

接收站点通过接收到的物理帧进行子信道-调制方式计算的过程如下：接收站点利用该物理帧进行信道估计，计算得到各子信道的信道增益或其信噪比；在一定的纠错码方式下，将每个子信道的信道增益或信噪比与一组事先确定的、与当前纠错码方式相关的信道增益或信噪比门限作比较，在保证每个子信道均达到一定的误码率性能的前提下，尽可能地选取阶数高的调制方式；将每一种调制方式映射为一个比特组，然后将这些比特组放置在一起构成一个数据组，该数据组即为子信道-调制方式；对计算得到的子信道-调制方式编一个标号，用以标示该特定的工作方式，这个标号称为方案号(若系统定义将纠错码方式的信息与子信道-调制方式的信息捆绑传输，则是对子信道-调制方式数据组与纠错码方式的组合设定一个方案号)；最后，将子信道-调制方式数据组、纠错码方式(当系统定义两种信息捆绑传输时)和方案号按约定的格式放入承载子信道-调制方式信息的MAC帧中，发送给发射站点。

在一定的纠错码方式下对OFDM各子信道确定子信道-调制方式的计算中所需要的信噪比或信道增益门限可通过Monte-Carlo算法预先在仿真平台上求得。

附图说明

图1子信道-调制方式工作方式的系统结构及实现过程

图2用请求-应答方式传送子信道-调制方式信息的实现过程

图3用主动传送方式传送子信道-调制方式信息的实现过程

图4传送子信道-调制方式信息的方案号域、编码方式域和子信道-调制方式域

图5发射站点采用子信道-调制方式工作方式发送数据的实现方法

图6802.11-OFDM标准中的物理帧帧结构和SIGNAL符号的结构

图7802.11系统RTS帧的帧结构

图8802.11系统CTS帧的帧结构

图9802.11系统实现子信道-调制方式请求的RTS+RSM帧的帧结构

图10802.11系统传送子信道-调制方式信息的CTS+ISM帧的帧结构

图11802.11标准中DATA帧的帧结构

图12802.11系统ACK帧的帧结构

图13802.11标准下实现子信道-调制方式请求的DATA+RSM帧的帧结构

图14802.11系统传送子信道-调制方式信息的ACK+ISM帧的帧结构

图15802.11e标准中DATA帧的帧结构

图16802.11e标准下实现子信道-调制方式请求的DATA+RSM帧的帧结构

图17接收站点通过信噪比判决确定子信道所要采用的调制方式的实现过程

图18接收站点通过信道增益判决确定子信道所要采用的调制方式的实现过程

图19接收站点构造子信道-调制方式域、编码方式域和方案号域的过程

图20由Monte-Carlo算法求得的一定纠错码方式下不同调制方式的信噪比-误比特率曲线

具体实施方式

本发明考虑在OFDM各子信道采用不同的调制方式来实现信道的充分利用和克服其频率选择性，每一种阶数的调制选取一种调制方式。本发明推荐采用以下的调制方式组合：

M＝{BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM}(1)采用QAM调制的优点是其具有良好的距离特性，并且在接收端解码中易于提取软信息。

一、发射站点按照子信道-调制方式工作方式发送数据的实现方法

在从接收站点发往发射站点的包含子信道-调制方式信息的数据帧中，包含以下与子信道-调制方式信息相关的数据域：方案号域、编码方式域和子信道-调制方式域(见图4)。方案号用若干比特来实现，用于标识当前这种在一定的纠错码方式下特定的子信道-调制方式工作方式；子信道-调制方式域由K个子域构成(K为OFDM系统用于传输数据的子载波数)，每个子域由若干个比特构成，表示与其对应的子载波信道所要采用的信号调制方式，在本专利中，这些子域被称为ModType子域；编码方式域用若干比特来实现，用于标识当前的纠错码方式，它用虚框标出，当系统定义采用的纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输时，存在该数据域，否则，该域不存在，纠错码方式信息由其它途径传输到发射

            表2数据比特-调制方式映射的一种实现方案

数据比特	0000	0001	0010	0011	0100
						调制方式	NULL	BPSK	QPSK	8QAM	16QAM
数据比特	0101	0110	0111	1000
						调制方式	32QAM	64QAM	128QAM	256QAM

站点。当发射站点与接收站点间采用单一的纠错码方式时，接收站点可不必向发射站点传输纠错码方式信息。

子信道-调制方式域的ModType子域中的每个数据比特组表示一种信号调制方式，以物理层采用式(1)所示的调制方式M为例，表2给出了当用4比特的数据组来表示调制方式时的一种数据比特-调制方式映射的实现方案。在该映射方案中，NULL表示不传输数据。编码方式域中的每个数据比特组则映射为一种纠错码方式。方案号域中的每个数据比特组表示一个方案号。

发射站点在获得子信道-调制方式信息后，即可计算得到一张子信道-比特分配表，并可确定一个OFDM符号所要发送的数据比特数。设OFDM系统用K个子载波发送数据，其发送比特数分别为：b₁，b₂，…b_K，可得一个OFDM符号的发送比特数为：

$B=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k---\left(2\right)$

发射站点采用子信道-调制方式工作方式实现数据发送的过程如图5所示，其分三个步骤来完成：第一步，发射站点将编码后的数据序列分割成若干个B比特的数据组(最后一个数据组不足B比特时，通过数据填充——如填充0——将其加长到B比特)；第二步，将每个B比特数据组构造成一个OFDM符号；第三步，将各个OFDM符号依次放入物理帧中，进行数据发送。

在将B比特的数据组构造成一个OFDM符号的过程中，B比特的数据首先按子信道-比特分配表分配到不同的子信道上，然后在各子信道通过指定的调制方式将数据比特映射为复数值的符号，最后通过FFT变换将其变换为时域的OFDM符号。

发射站点在采用子信道-调制方式工作方式发送数据时，必须将当前采用的子信道-调制方式的方案号写入其发送的物理帧的开始部分，使对应的接收站点在对该物理帧中的数据符号进行解调之前能够预先知道这一信息，以用于对这些数据符号的解调。下面以802.11-OFDM系统物理帧的帧结构为例，给出将子信道-调制方式的方案号写入所要发送的物理帧

表3802.11-OFDM系统物理帧速率域比特组与帧体数据工作方式的对应关系

速率域比特组	物理层速率(Mbps)	调制方式	卷积码码率
				1101	6	BPSK	1/2
1111	9	BPSK	3/4
				0101	12	QPSK	1/2
0111	18	QPSK	3/4
				1001	24	16QAM	1/2
1011	36	16QAM	3/4
				0001	48	64QAM	2/3
0011	54	64QAM	3/4

表4速率域比特组与方案号对应的一个例子

速率域比特组	方案号
		0000	0
0010	1
		0100	2
0110	3

的实现方法。

802.11-OFDM系统的物理帧帧结构见图6，它由物理帧帧头、SIGNAL符号和数据符号三部分组成，其中，SIGNAL符号用来向接收站点提供关于其帧体数据的调制方式、码率和长度等的信息。802.11-OFDM标准将SIGNAL符号速率域中的比特组与其所定义的8种物理层数据速率相对应，由于每一种物理层数据速率又对应于一种特定的信号调制方式和卷积码码率，从而实现了数据比特组与调制方式-码率的对应，对应关系如表3所示。由于16个4位比特组只用了8个，因此，可用剩余的4位比特组来表示子信道-调制方式的方案号，如我们可用0开头的4个4位比特组来表示子信道-调制方式的4个方案号，表4给出了实现这种比特组-方案号对应的一个例子。

这样，通过速率域比特组与子信道-调制方式方案号的对应，接收站点在数据接收时就可以根据该速率域比特组迅速地确定该物理帧的数据符号所采用的子信道-调制方式，进而顺利地实现对数据符号的解调。

二、接收站点向发射站点传送子信道-调制方式信息的实现方法

接收站点向发射站点传送子信道-调制方式信息可通过两种方式来实现，即：请求-应答方式和接收站点主动传送方式。

在请求-应答方式中，发射站点可通过在MAC层直接向接收站点发送子信道-调制方式请求(RSM)帧来请求获得子信道-调制方式信息，接收站点则通过子信道-调制方式信息(ISM)帧对RSM帧作出应答，将子信道-调制方式信息发送给发射站点。在RSM帧中包含有子信道-调制方式请求的标示，在ISM帧中则包含子信道-调制方式信息，它采用图4所示的方案号域、编码方式域和子信道-调制方式域来实现。在主动传送方式中，接收站点在未收到发射站点的RSM帧、但收到来自发射站点的其它数据帧时，接收站点可由该数据帧计算得到子信道-调制方式信息，并用ISM帧将该信息发送给发射站点。

无线局域网系统在数据传输过程中，由于信道分配等的需要，在其MAC层可能会存在一种信息交互机制。如：在采用随机竞用方式和轮询方式分配信道的802.11网络中，即存在着这样一种MAC层的信息交互机制。当将本发明提出的系统用于这类网络时，可利用这种MAC层的信息交互机制来实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送。在这里，请求-应答方式与主动传送方式的主要不同是在于，请求-应答方式使用了发射、接收站点间的一个完整的MAC层交互，而主动传送方式只使用了MAC层信息交互中接收站点对发射站点的应答。

在802.11网络中可通过MAC层的信息交互来实现RSM信息和ISM信息的交互，为此，可以对802.11标准和802.11e标准中进行信息交互的MAC帧的Frame Control域中的Subtype子域或Type子域作新的定义使其成为携带RSM信息和ISM信息的数据帧，对于携带ISM信息的MAC帧，再对其定义相应的存放子信道-调制方式信息的数据域。

下面给出在802.11网络中利用MAC层的RTS-CTS信息交互和DATA-ACK信息交互实现子信道-调制方式的请求与应答的实现方法，通过802.11系统中其它种类的MAC层信息交互实现子信道-调制方式的请求与应答的实现方法可类似地推得。

1.RTS-CTS信息交互下子信道-调制方式请求与应答的实现方法

802.11系统为了解决无线网络存在的隐藏节点问题，在MAC层设计了RTS-CTS工作方式。RTS帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图7所示，其Frame Control域的Subtype子域的赋值为1011。CTS帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图8所示，其Subtype子域的赋值为1100。

通过对RTS帧重新定义其Subtype子域，即可对该系统定义一种新的MAC帧：RTS+RSM帧。图9给出了一个实现RTS+RSM帧的实例，其中用Subtype＝0011来表示这是一个RTS+RSM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。

通过对CTS帧重新定义其Subtype子域，并加入方案号(Scheme Number)域、子信道-调制方式(Subchannel-Modulation Information)域和编码方式(Code Type)域(当系统定义纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输时，下同)，即可对系统定义CTS+ISM帧。图10给出了一个实现CTS+ISM帧的实例，其中用Subtype＝0100来表示这是一个CTS+ISM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。编码方式域用虚框标出，其含义与图4中虚框的含义相同。

通过以上定义的RTS+RSM帧和CTS+ISM帧，系统即可在RTS-CTS信息交互中实现子信道-调制方式的请求与应答。

2.DATA-ACK信息交互下子信道-调制方式请求与应答的实现方法

首先考虑802.11系统采用802.11标准定义的MAC层时的情形。

在802.11标准中，发射站点通过MAC层传送DATA帧时，接收站点在正确接收后必须作ACK应答。DATA帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图11所示，其FrameControl域的Subtype子域的赋值为0000，并注意到其Type域的赋值为Data。ACK帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图12所示，其Subtype子域的赋值为1101，并注意到其Type域的赋值为Control。

通过对DATA帧重新定义其Subtype子域，即可对系统定义实现子信道-调制方式请求功能的DATA+RSM帧，图13给出了一个实现DATA+RSM帧的实例，其中用Subtype＝1101来表示这是一个DATA+RSM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。

通过对ACK帧重新定义其Subtype子域，并加入方案号域、子信道-调制方式域和编码方式域，即可对系统定义实现子信道-调制方式传送功能的ACK+ISM帧。图14给出了一个实现ACK+ISM帧的实例，其中用Subtype＝0101来表示这是一个ACK+ISM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。编码方式域用虚框标出，其含义与图4中虚框的含义相同。

这样，通过以上定义的DATA+RSM帧和ACK+ISM帧，系统即可在DATA-ACK信息交互中实现子信道-调制方式的请求与应答。

其次考虑802.11系统采用802.11e标准定义的MAC层时的情形。

802.11e标准定义的DATA帧的帧结构及其Frame Control域、QoS Control域的结构如图15所示。注意到，由于需要对该DATA帧作正常应答，因此，其QoS Control域的Ack Policy子域须设置为00，表示Normal Ack。通过重新定义其Frame Control域的Subtype子域，即可定义802.11e协议下的DATA+RSM帧，图16给出了一个802.11e协议下实现DATA+RSM帧的实例，其中用Subtype＝1101来表示这是一个DATA+RSM帧。

由于802.11e标准采用了与802.11标准相同的ACK帧的帧结构，因此可采用与802.11标准下相同的方法来构造ACK+ISM帧，进而实现子信道-调制方式的请求与应答。

接着给出在802.11网络中利用MAC层的RTS-CTS信息交互和DATA-ACK信息交互实现子信道-调制方式信息由接收站点的主动传送的实现方法，通过802.11系统中其它种类的MAC层信息交互实现子信道-调制方式信息的主动传送的实现方法可类似地推得。

1.RTS-CTS信息交互下子信道-调制方式信息主动传送的实现方法

发射站点首先向接收站点发送一个RTS帧，接收站点接着采用图10所示的CTS+ISM帧进行应答(一般性地，其Subtype子域也可定义为其它保留值)，将子信道-调制方式信息传送给发射站点。

2.DATA-ACK信息交互下子信道-调制方式信息主动传送的实现方法

发射站点首先向接收站点发送一个DATA帧，接收站点接着采用图14所示的ACK+ISM帧进行应答(一般性地，其Subtype子域也可定义为其它保留值)，将子信道-调制方式信息传送给发射站点。

三、接收站点根据信道信息确定各子信道的调制方式的实现方法

接收站点通过由发射站点发送的物理帧对传输信道作信道估计，进而确定在一定的纠错码方式下各OFDM子信道所要采用的调制方式。

当前发射站点和接收站点间可约定只使用一种固定的纠错码方式，也可约定由接收站点在若干种可选的纠错码方式中选用一种来进行数据传输。在纠错码方式确定后，接收站点可根据由信道估计的结果求得的各子信道的信噪比或信道增益来确定所要采用的子信道-调制方式工作方式。

当接收站点接收到一个来自发射站点的物理帧后，它即可对发射站点到接收站点间的信道进行信道估计，得到OFDM各子信道的信道系数。由于时域信噪比可以求得，由此可得到OFDM信号频域各子信道上的信噪比。设OFDM信号共有N个子载波，其中工作的子载波数为N′，传输信息数据的子载波数为K，N′-K个子载波用于实现系统的其它功能。再设该K个子载波信道的信道系数分别为A_k(k＝1，2，…，K)，接收站点工作时时域信噪比为SNR_t，则不难推得OFDM信号各子信道的信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_k=\frac{N}{N^{\′}}{\left|A_k\right|}^2{\mathrm{SNR}}_t(k=\mathrm{1,2},\·\·\·,K)---\left(3\right)$

对各子信道采用不同的调制方式的目的是为了：在一定的纠错码方式下，使各子信道在达到指定的误码性能的前提下尽可能地传输较多的数据比特。误码性能指标取决于接收站点在接收数据时所要达到的误帧率，在系统设计时设定。

为通过各子信道的信噪比来确定其所要采用的调制方式，系统已事先针对对应的纠错码方式和设定的误码性能指标计算出了一组信噪比门限，该组门限中的每一个值对应于一种信号调制方式，表示当子信道的信噪比大于等于该门限值时，若其采用对应的调制方式，在该子信道将可达到好于设定指标的误码性能。

设系统所采用的调制方式为：{M(0)，M(1)，…，M(P)}，其中，圆括弧里的数字表示调制阶数，P为最高调制阶数，M(0)表示不发送数据，再设调制方式M(p)所对应的信噪比门限为S(M(p))(定义：S(M(0))＝0)，则对由式(3)计算得到的信噪比，可通过下式计算出各子信道所要采用的调制方式：

${\mathrm{Mod}}_k=\arg \underset{M\left(p\right)}{\max }\left\{S\left(M\left(p\right)\right)\right|{\mathrm{SNR}}_k\≥S\left(M\left(p\right)\right),p=\mathrm{0,1},\·\·\·,P\}(k=\mathrm{1,2},\·\·\·,K)---\left(4\right)$

式中，arg max表示与序列中的最大值对应的自变量参数。

在实际系统中，由于N、N′、SNR_t等值已经确定，所以，也可通过将信道增益的平方值与一组相应的门限值作比较来确定子信道-调制方式：

${\mathrm{Mod}}_k=\arg \underset{M\left(p\right)}{\max }\left\{S\left(M\left(p\right)\right)\right|{\left|A_k\right|}^2\≥\frac{N^{\′}}{N\·{\mathrm{SNR}}_t}S\left(M\left(p\right)\right),p=\mathrm{1,2},\·\·\·,P\}(k=\mathrm{1,2},\·\·\·,K)---\left(5\right)$

通过信噪比比较和信道增益比较确定子信道所要采用的调制方式的过程分别如图17和图18所示。

接收站点在计算得到各子信道的调制方式后将其映射为数据比特组，放入如图4所示的子信道-调制方式域中。当系统定义纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输时，还需要将当前的纠错码方式映射为数据比特组，放入到编码方式域中。接着，接收站点再为该纠错码方式和子信道-调制方式确定一个方案号、并写入到方案号域中。最后将该方案号域、编码方式域(如果其存在的话)和子信道-调制方式域一起放入到传送子信道-调制方式信息的数据帧中。由各子信道的调制方式构造子信道-调制方式域、编码方式域和方案号域的过程如图19所示，图中，编码方式域用虚框标出，其含义同图4中虚框的含义。至此，在接收站点得到准备向发射站点发送的子信道-调制方式信息。

四、信噪比判决门限的确定方法

接收站点子信道-调制方式的确定中所需的信噪比判决门限可预先在仿真平台上通过Monte-Carlo算法来求得。下面给出一个利用Matlab平台通过Monte-Carlo算法计算在一定的纠错码方式下各种调制方式的信噪比门限的实际例子。

设无线局域网系统采用式(1)所示的调制方式集M，其信道纠错码采用802.11a/802.11g规定的3/4码率、64状态的卷积码，并假设接收端采用软判决Viterbi译码。在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，我们通过Monte-Carlo算法，对M中每一种调制方式求得一条信噪比(SNR)-误比特率(BER)曲线。最后，我们得到各种调制方式下的信噪比-误比特率曲线如图20所示。

设系统要求物理层所要达到的误比特率为10^-4，则由图20，我们得到与10^-4对应的一组信噪比值(dB表示)为：

        [3.5，6.5，10.2，12.8，16.7，18.4，22.3，24.0]

加入不传输数据的工作方式，得到相应的门限值为：

        [0.0，3.5，6.5，10.2，12.8，16.7，18.4，22.3，24.0]

将其转化为绝对的倍数为：

        [0.00，2.24，4.47，10.47，19.05，46.77，69.18，169.82，251.19]

于是，即得到当系统采用802.11a/802.11g定义的3/4码率的卷积码时，接收站点在确定OFDM子信道所要采用的调制方式时所需要的一组信噪比判决门限值。将其代入式(5)，可进一步地得到相应的一组信道增益判决门限值。

Claims (6)

1.一种高数据速率正交频分复用OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于：

在发射站点：

向接收站点发送包含子信道-调制方式请求标示的数据帧；接收所述接收站点发送的包含子信道-调制方式信息的数据帧，获得各子信道的调制方式；对各子信道进行相应的调制，发送物理帧给所述接收站点；

在接收站点：

利用发射站点发送的包含子信道-调制方式请求标示的数据帧进行信道估计，获得各子信道的信噪比或信道增益；根据各子信道的信噪比或信道增益确定在一定的纠错码方式下各子信道的调制方式；利用包含子信道-调制方式信息的数据帧将各子信道的调制方式发送给所述发射站点。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：在每个子信道达到一定的误码率性能的前提下，优先选取高阶调制方式。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：

发射站点发送包含子信道-调制方式请求标示的请求发送RTS帧给接收站点；

接收站点利用包含子信道-调制方式请求标示的RTS帧进行信道估计；发送包含子信道-调制方式信息的CTS帧给发射站点。

4.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：

发射站点发送包含子信道-调制方式请求标示的数据DATA帧给接收站点；

接收站点利用包含子信道-调制方式请求标示的DATA帧进行信道估计；发送包含子信道-调制方式信息的ACK帧给发射站点。

5.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：所述物理帧中包含标识当前子信道-调制方式的工作方式的方案号，所述方案号通过所述物理帧中的信号SIGNAL符号的速率域携带。

6.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：将各子信道的信噪比或信道增益与预设的信噪比或信道增益判决门限作比较，以确定各子信道的调制方式。

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